淺埋黃土隧道下穿輸油管道施工技術研究

王利民

中鐵十二局集團第二工程有限公司 山西 太原 030032

1 工程概況

新建銀西鐵路(陜西段)田塬隧道位于陜西省彬縣太峪鎮(zhèn)至彬縣涇河右岸之間，穿行于黃土梁峁溝壑區(qū)。隧道起訖里程為DK131+137DK135+330，全長4193m，最大埋深約140m，最淺埋深約3m。隧道通過地層主要有第四系上更新統(tǒng)風積黏質黃土、中更新統(tǒng)風積黏質黃土、中更新統(tǒng)沖積粉質黏土、粉砂、細砂、細、粗圓礫土、卵石土，下伏三疊系上統(tǒng)砂巖夾頁巖。田塬隧道為銀西鐵路高風險隧道之一。

現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，在田塬隧道出口DK135+100上方，有一條埋深約2mφ33cm的輸油管道，與隧道以85°交角通過，隧道在該處屬于淺埋段，隧頂埋深約為20m。隧道施工時可能引起地表下沉，連帶輸油管道彎曲變形乃至開裂、斷裂，造成施工安全事故[1]。

2 選擇施工方案

安全穿越輸油管道的關鍵技術在于如何防止輸油管道的斷裂，而保證輸油管道不斷裂的關鍵技術在于隧道施工如何減小地面沉降。

輸油管道產權單位建議對輸油管道采取明挖懸吊保護方案，即將輸油管道挖露明，在隧道開挖地面沉降影響范圍外，在隧道中線左右兩側，沿輸油管道兩側各打入4根鋼管樁，將樁頭連在一起形成門架，在門架上架設桁架梁，通過桁架梁將輸油管道懸吊起來。這一方案，理論上可行，輸油管道露明后脫離土體，不會隨地面沉降而發(fā)生變形，即使隧道坍方了也不會影響到輸油管道。但實際施做起來難度很大，兩門架的間距至少達到40m(左右兩門架距隧道中線各20m)，跨度40m的桁架梁工程規(guī)模是很大的。此外還得修建至少1Km的便道，在淺埋隧道頂挖出一條2m深、1m寬的壕溝，容易造成積水浸泡土體，更容易引起淺埋隧道塌方。經過可行性研究后，決定采取以洞內加強支護措施控制地面沉降，確保輸油管道的安全。通過地質縱斷面圖紙和補勘地質資料顯示，DK134+800DK135+330段550m地質情況基本一致，均為第四系上更新統(tǒng)風積黏質黃土，埋深均在1520m，地勢相對平緩，正好利用地質條件相同段施工總結經驗、調整支護參數(shù)和施工工藝，為安全穿越輸油管道做準備。從DK135+200開始做試驗，黃土隧道開挖引起地面沉降以隧道中線處最大，向兩邊逐漸衰減基本呈扁平狀拋物線，影響范圍基本遵循L=D+2×0.5H〔L隧道開挖引起地表沉降影響寬度、D隧道開挖凈寬、H隧道埋深〕，按此經驗公式計算，地表沉降影響寬度約40m,按產權單位經驗“管道撓曲變形不超過0.5%，不會對管道造成任何損傷。”只要隧道中線處地面最大沉降值控制在20cm以內就是安全的，為了更安全把隧道中線處地面最大沉降值10cm，作為輸油管道安全極限。

3 試驗段經驗總結

超前掌子面1015m的地面就開始有微小沉降，與掌子面越近地面沉降也開始加劇；拱頂下沉越大，地面下沉也越大，拱頂下沉量累計在10cm以下時地面沉降幾乎為零；地面越干燥地面沉降量越小，連雨天施工地面沉降量會加大；循環(huán)進尺越短，地面沉降量越小；工序越緊湊，地面沉降量越小；仰拱越早閉合成環(huán)，地面沉降量越小；拱架鎖腳越強越有利于控制地面沉降。依據(jù)上述經驗總結制定了試驗段段施工原則“管超前、短進尺、強支護、緊工序、快封閉、勤量測、早襯砌”。這一施工原則的貫徹落實，使得洞內累計最大拱頂沉降量控制15cm以內，地面累計最大值沉降控制在10cm以內，設定的安全目標值完全可以實現(xiàn)，采取洞內措施加強，是可以安全穿越輸油管道的[2]。

4 具體方案及技術措施

4.1 設置地面沉降觀測點

每隔5m垂直隧道中線橫向布設一組地面沉降觀測點，觀測點以隧道中線左右對稱布置，距離中線分別按0m、3m、8m、16m、26m布置，每組9個點,共設13組。測點布置見圖1。為了更準確測出輸油管道的變形，沉降觀測點采用L=2.5m長φ42*3.5小導管從地表垂直打入設置，小導管打入時，注意避開輸油管道。每組測點在距離掌子面15m時測取初始值，每天觀測不少于2次，依據(jù)沉降速率或絕對值大小及時調整支護措施。

4.2 施做中管棚，進一步探明地質

拱部140°范圍內設φ89*8中管棚，管棚長度L=9m，環(huán)與環(huán)搭接3m，環(huán)向間距40cm；φ89*8中管棚采用干式KG925S型螺旋鉆機，沿初期支護內輪廓，以510°外插角鉆孔，成孔后將加工好的中管棚頂入，采用BS25C型注漿泵采取后退式給中管棚填注水泥砂漿。在中管棚鉆孔過程中要有專職地質工程師對地質情況進一步確認，如有變化要及時采取措施。

4.3 施做超前小導管

中管棚中間設φ42*3.5超前小導管，環(huán)向間距40cm，小導管長度L=3.5m，環(huán)與環(huán)搭接不小于1m；管通過上一榀綱架預留孔，采用螺旋鉆干鉆法成孔，插入加工成型的小導管，在小導管內后退式充填水泥砂漿。

4.4 采用三臺階預留核心土開挖法施工

圖2 三臺階預留核心土開挖法施工工序

上弧導開挖臺階垂直高度380cm，預留核心土面積不小于開挖面積的1/2，臺階長度保持在3～5m，上弧導一次開挖進尺嚴格控制在0.5m/1榀鋼架。中下導開挖垂直高度均為370cm，中下導左右兩側不僅要避開左右對挖，也要避開左右同時開挖，中臺階長度保持在3～5m，下臺階距仰拱初支距離保持在10～15m，中下導一次開挖進尺嚴格控制在1.0m/2榀鋼架。中部土體以機械開挖為主，臨近輪廓線開挖以人工為主，嚴格控制超挖，特別是嚴格控制拱腳超挖，防止因超挖造成土體松軟，人為因素引起拱架下沉，針對拱腳土體松軟可以采取大拱腳、大塊鋼墊板以及槽鋼連續(xù)托梁來控制拱架下沉。為了避免初噴和錨桿施做期間引起圍巖變形，采取開挖后立即架設鋼架、布設鋼筋網、打設鎖腳錨管，隨后立即進行濕噴混凝土作業(yè)的工序緊湊。從開挖到立架再到噴射混凝土一定要做到工藝精準，工序銜接緊湊，實現(xiàn)快速封閉，才能有效防止圍巖松動變形，控制地表沉降[3]。

4.5 施做鎖腳錨管

鎖腳錨管是防止初支沉降變形的重要環(huán)節(jié)，每個拱腳設計采用兩根L=4.0m長φ42*3.5鎖腳錨管，實際施工時增加為4根。分別在拱腳接頭板上30cm、100cm處，沿鋼架兩側斜向下45°采用螺旋鉆干鉆法成孔，成孔后打入鎖腳錨管，錨管內充填水泥砂漿，錨管通過φ22U型鋼筋與鋼架焊接牢固。

4.6 濕噴混凝土施工

初支采用35cm厚C25濕噴混凝土，嚴格按照規(guī)范和施組要求進行濕噴作業(yè)，為了確保鋼架背后噴填密實，要將噴頭傾斜一定角度先噴拱架背后，然后再噴其他部位。防止初支、特別是鋼架背后脫空對控制初支變形、地面沉降尤為關鍵。

4.7 補打砂漿錨桿

邊墻設φ22砂漿錨桿，長度L=4.0m，1.0*1.0m梅花形布置。噴射混凝土前，在對應錨桿位置預埋φ42*3.5鋼管作為后續(xù)補打砂漿錨桿的預留孔，采用螺旋鉆干鉆法成孔，成孔后采用后退式注入C20水泥砂漿，然后插入錨桿，待砂漿強度達到設計值后上好墊板擰緊螺帽，錨桿頭不得露出噴射混凝土面，最后用噴射混凝土覆蓋找平。

表1 量測頻率表

4.8 仰拱施工

仰拱利用自行式移動棧橋施工。仰拱上部土體以機械開挖為主，清底以人工開挖為主，嚴禁仰拱超挖后回填虛土，這不僅會導致初支下引起沉地面下沉，后期還會引起仰拱開裂。仰拱一次開挖長度不得超過200cm/4榀鋼架。開挖后立即安裝鋼架布設鋼筋網，盡快噴射混凝土使初支閉合成環(huán)。仰拱混凝土每6m澆筑一次，仰拱拱圈與填充采用全封閉仰拱覆模實現(xiàn)分層澆筑，仰拱與上導掌子面距離控制在30m之內。

4.9 二襯施工

二襯施工采用防水板鋪掛臺車鋪掛防水層，綁扎鋼筋，利用全液壓襯砌臺車逐窗澆注、分層振搗混凝土。為了抑制初支持續(xù)變形引起地面沉降，二襯宜緊跟，只有二襯施工完畢，才可說安全通過輸油管道，二襯距掌子面控制在50m之內。

4.10 洞內監(jiān)控量測

對于淺埋隧道洞內圍巖和支護體系的收斂變形，特別是拱頂下沉會直接反映到地表沉降，通過洞內監(jiān)控量測的信息反饋，不僅可以指導洞內施工，同時可以更好地指導控制地面沉降。洞內監(jiān)控量測布點斷面必須與地面沉降觀測布點斷面里程對應，每隔5m布設一組監(jiān)控量測斷面。監(jiān)控量測并依據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程》（Q/CR 9218-2015）、《鐵路黃土隧道技術規(guī)范》（Q/CR9511-2014）進行。監(jiān)控量測頻率按表1執(zhí)行[4]。

5 結束語

2017年3月9日，田塬隧道從DK35+130起按試驗成功的施工方案開始穿越輸油管道，2017年4月10日初期支護順利穿過DK35+100處輸油管道，2017年5月10日初期支護順利通過DK35+070，2017年7月8日襯砌順利通過DK35+100，至此，田塬隧道安全順利穿越了輸油管道。只有在3月20日施工至DK35+120時遇到連雨天，洞內拱頂下沉速率超警戒，采取了臨時封閉掌子面暫停施工的應急預案，兩天后恢復正常施工，4月23日施工至DK35+113是洞內拱頂下沉和地面沉降速率同時出現(xiàn)報警，采取封閉掌子面和補打大鎖腳錨管后，拱頂下沉和地面沉降得到有效控制，一天后恢復正常施工。